Заявление главы «Роскосмоса» Дмитрия Рогозина о возможности отключения GPS, сделанное недавно, не окажет критического влияния на Россию благодаря наличию собственной системы позиционирования ГЛОНАСС. Naked Science попыталось выяснить, насколько осуществимо отключение системы глобального позиционирования для отдельной страны. Какие последствия это повлечет за собой для России и ее граждан? И что произойдет, если спутниковые системы позиционирования перестанут работать во всем мире? В качестве дополнения расскажем о связи с теорией Эйнштейна.
Принцип работы ГЛОНАСС, GPS и других подобных систем позиционирования заключается в определении местоположения приёмника с использованием сигналов от сети спутников
Если вы обладаете знаниями в области математики, можете не читать эту главу. Однако, обратите внимание, что мы будем часто ссылаться на нее в последующих разделах.
Встречается мнение, что теория относительности Эйнштейна лишена практической пользы. Вероятно, если спросить такого человека, какую именно теорию относительности он имеет в виду – специальную или общую – он затруднится с ответом. А вы можете просто объяснить ему, что ежедневно огромное количество людей на Земле используют технологии, функционирование которых невозможно без учета положений Общей теории относительности.
Концепция системы позиционирования основана на простом принципе: запускается спутник, фиксируется его орбита, спутник перемещается по этой орбите и передает радиосигнал. По времени получения сигнала от спутника можно определить ваше расстояние до него. Один спутник позволяет определить ваше положение в виде сферы, два – в виде кольца, а три спутника сужают возможные точки до двух. Учитывая неизбежные ошибки, система начинает определять ваше местоположение при условии, что она получает четкий сигнал от четырех спутников.
Для обеспечения возможности одновременного приема сигнала от необходимого количества спутников (обычно четырех) в любой точке земного шара требуется всего 24 космических аппарата глобальной навигационной спутниковой системы. Можно использовать и меньшее количество спутников, если требуется позиционирование только на определенной территории, как это было реализовано в Японии. В будущем к ним должны присоединиться США и Россия, а также Европа с проектом Galileo) для обеспечения глобального позиционирования было принято решение о создании систем, охватывающих всю планету, включая запуск не менее двух десятков спутников. Рассматривается также возможность использования дополнительных спутников для повышения точности.
Несмотря на различия в алгоритмах обработки данных между разными системами, точность определения местоположения на поверхности Земли обычно составляет от 0,5 до нескольких метров, а по вертикали – до 10 метров.
Так можно ли отключить такую систему?
Как отключить GPS
Поскольку мы начали с основ работы GPS, давайте рассмотрим некоторые детали функционирования этой системы глобального позиционирования. Спутники корректируют свои координаты, взаимодействуя с наземными станциями, после чего транслируют эти данные в эфир на двух частотах. Любой пользователь, обладающий соответствующим оборудованием, может принять этот сигнал, которое сейчас широко доступно на рынке. Ранее одна из частот использовалась для военных целей и обеспечивала максимальную точность определения местоположения. А вторая, предназначенная для гражданского использования, намеренно содержала искажения, что приводило к сравнительно большой погрешности позиционирования в сотню метров.
На данный момент гражданским приборам доступны обе радиочастоты, и при большом количестве улавливаемых спутников (на открытом месте) точность гражданских приборов не хуже, чем у военных. По крайней мере официально. То есть сигнал отключить нельзя?
Если сигнал создан искусственно (а не, например, является излучением пульсара), то его создатель, вероятно, сможет его деактивировать.
Теоретически, существует возможность прервать передачу сигнала со спутника или транслировать неверные данные о его местоположении, пролетая над конкретной территорией. Однако, учитывая, что каждый спутник обычно охватывает область в 4000 на 4000 километров, подобное воздействие, скорее всего, затронет и соседние государства.
Вероятно, существует возможность шифрования данных, передаваемых со спутника (хотя в открытых данных по GPS мы не обнаружили этому подтверждения). В таком случае, военные навигаторы смогут расшифровать сигнал и повысить точность определения своего местоположения. Гражданским пользователям декодирование зашифрованного сигнала будет невозможно, и точность позиционирования снизится, либо могут поступать намеренно искаженные данные. В результате, координата будет выдаваться с большой погрешностью, как это было на начальном этапе развития GPS, когда военные могли определять свое местоположение с точностью до метров, а гражданские — с погрешностью около 200 метров. В данной ситуации гражданские пользователи GPS в странах Восточной Европы и Дальнего Востока также столкнутся с негативными последствиями.
Наконец, самый простой способ нарушить работу GPS — создание помех с помощью наземной станции. При этом воздействие может быть весьма тонким: например, москвичи знают, что навигационные программы часто « телепортируют» проезжающие около Кремля автомобили во Внуково. А может быть и опасным: в 2019 году Израилю пришлось перенаправлять в другой аэропорт самолеты, собиравшиеся совершить посадку в авиагавани Тель-Авива: в этом районе наблюдались серьезные перебои с работой GPS. Подозрения даже пали на Россию: некоторые аналитики предположили, что это было следствием работы российских средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) в соседней Сирии.
Подавление GPS на территории России посредством средств радиоэлектронной борьбы, расположенных в соседних странах, представляется крайне маловероятным сценарием. Подобные действия фактически равносильны объявлению войны, поскольку под прикрытием радиопомех становится возможным незаметное проникновение ракет и других боевых средств.
Отмечаем, что наиболее простой способ подавления GPS с Земли – это создание радиопомех для слабого сигнала, поступающего со спутника, находящегося на высокой орбите. Страна может использовать этот метод на своей территории (например, для выведения из строя ракет противника, однако об этом ниже). Другой вариант – подавление сигнала GPS с помощью средств радиоэлектронной борьбы или спуферов, которые генерируют более мощный сигнал с ложными координатами. Однако дальность подобной атаки ограничена. В прошлом поступали сообщения о сбоях в работе GPS во время боевых действий США в Иране и Югославии. Неясно, были ли эти сбои преднамеренными, учитывая, что у стран, подвергшихся атаке, практически не было высокоточного оружия, зависящего от GPS.
ГЛОНАСС всех спасет?
С Дмитрием Рогозиным можно согласиться в том, что отказ от GPS не станет критичным для значительной части пользователей в России. Несмотря на определенные трудности и необходимость последовательной работы, в стране была разработана и функционирует система глобального позиционирования ГЛОНАСС лучше GPS эффективен в высоких широтах, поскольку спутники этой системы более точно учитывают расположение России в северной части земного шара».
Поддержка ГЛОНАСС интегрирована в микросхемы смартфонов практически всеми ведущими производителями мобильных систем-на-чипе, которые устанавливаются в 90% смартфонов. Другие устройства редко можно встретить на российском рынке, если специально их не искать. Поэтому таксисты и курьеры не затронуты этой ситуацией.
Возникает вопрос: способны ли производители устройств отключить ГЛОНАСС? В принципе, они могут исключить поддержку российской системы в программном обеспечении гаджетов или в обновлениях картографических сервисов. Следует учитывать, что для теоретического функционирования требуется всего четыре спутника. Но каковы причины для этого?
ГЛОНАСС не получает информацию о приемниках, хотя иногда даже американские конгрессмены это знают не понимают. Поддержка нескольких систем спутниковой навигации является целесообразным решением. Чем больше систем используется, тем выше точность определения местоположения. В городских условиях, когда здания ограничивают видимость неба, не всегда можно гарантировать наличие достаточного количества GPS-спутников. Использование ГЛОНАСС увеличивает вероятность этого в два раза. Сервис ГЛОНАСС в своей базовой конфигурации не предполагает финансовых затрат и не собирает пользовательские данные.
Затронет ли это Россию? Прошивку можно заменить и вернуть к исходному состоянию, а картографические сервисы доступны, включая отечественные разработки. Однако за пределами России, без ГЛОНАСС, системы навигации, использующие GPS, могут работать менее эффективно. Таким образом, попытка отключения ГЛОНАСС со стороны США и их союзников будет контрпродуктивной, хотя к этому уже не ново.
Поскольку обычные пользователи и работники логистических служб получили возможность функционировать без GPS – даже в случае отключения этой системы на ограниченной территории, поскольку им достаточно отечественного ГЛОНАСС – с профессиональным оборудованием ситуация иная.
В речных и морских судах имеется поддержка ГЛОНАСС, в то время как для авиапарка существуют определенные трудности. Интеграция российской навигационной системы в иностранные самолеты, эксплуатируемые российскими авиакомпаниями, должна была быть завершена в этом году. Однако авиаэксперт в ответ на вопрос Naked Science сообщил, что не было данных об оснащении ГЛОНАСС иностранных самолетов. Теоретически это потребует большего внимания и мастерства пилотов, а также может сказаться на работе диспетчеров.
Следует также учитывать, что при деактивации GPS прекращается корректно работать современные западные энергосистемы (вплоть до крупных блэкаутов), и ряд банкоматов. По этой причине любые нецеленаправленные действия по блокированию или подавлению GPS-сигнала над территорией России способны вызвать непредвиденные трудности в западных странах, расположенных по соседству. Даже некоторые станки, перемещение которых ограничено условиями договоров поставки, могут выйти из строя).
Мир будущего имени Альберта Эйнштейна
Случай с самолетами в израильском аэропорту, вероятно, является первым ярким примером того, что могло бы произойти в мире без глобальных навигационных систем. Способны ли самолеты долететь и приземлиться без GPS? В принципе, да, поскольку регулярные авиарейсы существовали еще до появления спутниковой навигации. Однако современные навигационные системы позволяют сократить численность экипажа, увеличить количество пассажиров и обеспечивают безопасную посадку и взлет нескольких самолетов в минуту, даже при неблагоприятных погодных условиях.
Инструмент, обеспечивающий безопасность и эффективность во многих сферах деятельности скорость, современный мир требует возможности оперативной транспортировки огромных объемов грузов для большого числа людей. Даже опытный пилот способен совершить посадку без использования GPS, а таксист сможет найти нужный маршрут, ориентируясь по картам, однако спутниковая навигация значительно облегчает этот процесс и позволяет существенно расширить число людей, способных управлять транспортными средствами, такими как такси и самолеты (хотя разница в необходимой квалификации при этом остается).
ГЛОНАСС, GPS и аналогичные системы являются наиболее распространенным примером использования теории относительности, как мы упомянули ранее. Для точного определения местоположения недостаточно просто получить сигнал от спутника и знать его координаты. Необходимо рассчитать время прохождения сигнала, а скорость света (сопровождающая радиоволны) оказывается не такой уж и большой. Разница во времени между наблюдателем и системой отсчета, связанной со спутником, приводит к ошибке в определении координат, достигающей десяти километров в день. Без учета эффектов общей теории относительности спутниковые системы GPS были бы неэффективны.
Но даже этой беспрецедентной точности можно помочь. Технология A-GPS позволяет программам ускорить получение данных о траекториях спутников, что повышает точность определения местоположения до десятков сантиметров. Вышки дифференциальной коррекции GPS позволяют снизить погрешность до сантиметров. Это критически важно как для геодезистов, так и для многих современных технологий. Роботизированные системы доставки, беспилотные летательные аппараты и другая передовая робототехника зачастую не могут допустить ошибку в 10 см и не всегда способны ориентироваться, используя визуальные данные. Например, автомобиль с автопилотом использует разметку и дорожные знаки. Но он может столкнуться с неблагоприятными погодными условиями или оказаться на дороге без разметки, и тогда ему потребуются точные координаты от GPS. И он не может допустить ошибку в 2 метра (средняя точность GPS): в Австралии уже обсуждается опасность ошибок автопилотов из-за … дрейфа континента!
Вы, вероятно, не подозреваете, насколько тесно общая теория относительности связана с работой GPS. Одним из ключевых понятий этой теории является интервал, который включает в себя координаты, время и скорость света. Благодаря этому на практике мы можем определять координаты, зная скорость света и время распространения сигнала, а также наоборот. Точные координаты базовых станций сотовой связи используются для высокоточной синхронизации времени по спутникам. Это необходимо для правильной синхронизации информационных потоков в различных каналах и предотвращения их пересечения. Таким образом, вопрос сводится к скорости, производительности и пропускной способности, и для голосовой связи GPS на вышках сотовой связи был не нужен.
Мир сможет существовать и без систем глобального позиционирования, однако ему придется искать альтернативные решения, поскольку они существенно повышают эффективность процессов, обеспечивают доступ к высокоскоростному интернету, сервисы с минимальной задержкой и сокращают время, затрачиваемое на физические перемещения. Хотя, стоит отметить, что даже при наличии мобильного приложения с картой курьер, которого вы ожидаете, иногда может потеряться (и в этом ГЛОНАСС не причастен).
Глобальные спутниковые системы открывают путь в мир будущего, и это будет мирный путь.
Мир без глобальных систем позиционирования
Даже если системы GPS и ГЛОНАСС подвержены глушению, они все равно могут быть полезны для военных. Возможно, противник не располагает достаточными средствами радиоэлектронной борьбы, либо боевые действия разворачиваются на обширных территориях, где вражеские средства подавления сигнала недоступны. В любом случае, спутниковая навигация может оказаться необходимой. Кроме того, шифрование сигнала и его последующая обработка позволяют хотя бы выявить воздействие средств радиоэлектронной борьбы и перейти на альтернативные методы наведения.
Крылатые ракеты используют рельеф местности для ориентации. Баллистические ракеты могут быть оснащены звездными датчиками ориентации – технология, применяемая еще со времен создания Р7 – и корректировать траекторию, используя звёздное небо, подобно тому, как это делали первые мореплаватели. Инерциальные системы навигации продолжают активно развиваться, демонстрируя повышение точности. Это возможно, поскольку карта мира хорошо изучена, что позволяет заранее вычислить маршрут и использовать гироскопы для контроля за траекторией полета. Разумеется, точность такой системы не достигает сантиметрового уровня, характерного для GPS или ГЛОНАСС, но ее функционирование невозможно без самой ракеты.
Система межзвездной навигации
Основой для развития геопозиционирования служит теория относительности Эйнштейна. Параллельно с этим Россия разрабатывает технологии для межзвездной навигации. На расстоянии полутора миллионов километров от Земли функционирует российская обсерватория «Спектр-РГ», объединяющая российские и немецкие телескопы. Благодаря ей была создана наиболее полная на текущий момент карта звездного неба, выполненная в рентгеновском диапазоне.
Как уже рассказывал Naked Science, немецкий телескоп сейчас временно отключен, в связи с этим российские ученые сменили направление исследований и начали реализацию программы ART-XC Legacy Program. В рамках этой программы российский рентгеновский телескоп ART-XC изучает рентгеновские пульсары с миллисекундным периодом. Предположительно, это нейтронные звезды, которые активно поглощают вещество из аккреционного диска, окружающего их. Благодаря высокой интенсивности и стабильности периода излучения их можно использовать в качестве «маяков». Специалисты из ИКИ РАН сообщили, что на основе таких «маяков» научились определять положение аппарата в пространстве с точностью до десяти километров.
Объект находится на расстоянии полутора миллионов километров, а расстояние в десять километров кажется незначительным. Стремление к высокой точности выходит за границы нашей планеты!